龍門起重機(jī)論文.doc

摘 要龍門起重機(jī)作為物料搬運(yùn)系統(tǒng)中一種典型設(shè)備,在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用廣泛作用顯著,因此對(duì)于提高龍門起重機(jī)的運(yùn)行效率,確保運(yùn)行的安全可靠性,降低物料搬運(yùn)成本是十分重要。傳統(tǒng)的龍門起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制,采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速,這種控制系統(tǒng)存在可靠性差,操作復(fù)雜,故障率高。電能浪費(fèi)大,效率低等缺點(diǎn)。本文針對(duì)龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)中存在的上述問(wèn)題,把可編程序控制器和變頻器應(yīng)用于龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)上,并進(jìn)行了較深入的研究。控制系統(tǒng)采用龍門起重機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)后具有節(jié)能、減少機(jī)械磨損，啟動(dòng)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 龍門起重機(jī) 可編程控制器ABSTRACTGantry crane, as a typical materials handling system in enterprise production equipment, is widely used to production, thus it is very vital to improve the efficiency of gantry cranes and ensure the safety and reliability of the operation and reduce the cost of handling material. The traditional gantry crane control system is mainly controlled by electric relay, using the method of communication winding resistance to start and speed. But the shortcomings in it are poor reliability, complex operation, high failure, wasteful energy and low efficiency. Aiming at solving the problems of above-mentioned, PLC and frequency converter are applied to gantry crane, and the control system is studied. After adopting gantry crane variable-frequency regulating speed technology, the control system has reduced energy, mechanical properties, etc.Keywords: Frequency conversion velocity modulation Gantry craneProgrammable Logic Controller 目 錄1前 言41.1龍門起重機(jī)概述41.2門式起重機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)方案與原理41.2.1門式起重機(jī)負(fù)載特點(diǎn)41.2.2轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速41.2.3晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速41.2.4直流調(diào)速系統(tǒng)41.2.5交流調(diào)速系統(tǒng)42變頻調(diào)速系統(tǒng)分析42.1變頻調(diào)速42.2變頻調(diào)速的基本原理42.3變頻器的基本構(gòu)成42.4變頻器的保護(hù)42.4.1過(guò)電流保護(hù)功能42.4.2過(guò)電壓保護(hù)功能42.4.3欠電壓保護(hù)43變頻調(diào)速龍門起重機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1龍門起重機(jī)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能43.2系統(tǒng)的硬件部件選擇43.2.1電機(jī)的選用43.2.2變頻器的選擇53.2.3常用輔助器件的選擇53.3PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.3.1龍門起重機(jī)PLC及變頻器系統(tǒng)53.3.2主電路圖53.3.3大車控制原理圖54變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)54.1可編程控制器的介紹54.1.1PLC的基本概念54.1.2PLC的基本結(jié)構(gòu)54.1.3PLC的工作原理54.1.4PLC的特點(diǎn)54.1.5PLC的主要性能指針54.2S7200系列機(jī)種及系統(tǒng)構(gòu)成54.2.1基本單元54.2.2擴(kuò)張單元54.2.3PLC的I/O口分配圖表54.3變頻器參數(shù)設(shè)置54.4PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)54.4.1龍門起重機(jī)大車電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程54.4.2控制大車電動(dòng)機(jī)的變頻器輸入控制端的安排5結(jié) 論6謝 辭6參考文獻(xiàn)6附 錄61 前 言1.1 龍門起重機(jī)的概述起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)在實(shí)現(xiàn)出產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、自己主動(dòng)化，改善物料搬運(yùn)前提，提高勞動(dòng)出產(chǎn)率必不可少的重要機(jī)械設(shè)備。它對(duì)于發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)，改善人們的事物、文化生活的需要都起著重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，機(jī)械化、自己主動(dòng)化程度也在不停提高，與此相適應(yīng)的起重機(jī)技能也在高速發(fā)展，產(chǎn)物種類不停增加，使用規(guī)模越來(lái)越廣。一些企業(yè)由于沒(méi)有起重機(jī)械，不僅工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，甚至難以工作。高層建筑的施工，上萬(wàn)噸級(jí)或幾十萬(wàn)噸級(jí)的大型船只的建造，火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射，大型電站的施工和安裝，大重件的裝卸與搬運(yùn)等，都離不開(kāi)起重機(jī)的作業(yè)。起重機(jī)不僅可以作為輔助的出產(chǎn)設(shè)備，完成原料、半成品、產(chǎn)物的裝卸、搬運(yùn)，進(jìn)行機(jī)電設(shè)備、船體分段的吊運(yùn)與安裝，而且也是一些出產(chǎn)過(guò)程及工藝操作中的必需的裝備。再如冶煉金屬工業(yè)出產(chǎn)中的爐料籌辦、加料、鋼水澆鑄成錠、脫模取錠等，必需依靠起重機(jī)進(jìn)行出產(chǎn)作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)的冶煉金屬、煤炭部門的機(jī)械設(shè)備總數(shù)量或總自重中，起重運(yùn)輸機(jī)械約占45%。起重機(jī)是機(jī)械化作業(yè)的重要的事物基礎(chǔ)，是一些工業(yè)企業(yè)中主要的固定資產(chǎn)。對(duì)于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站庫(kù)場(chǎng)、建筑施工工地，和海洋開(kāi)發(fā)、宇宙航行等部門，起重機(jī)已成為主要的出產(chǎn)力要素，在出產(chǎn)中進(jìn)行著高效的工作，組成合理社團(tuán)批量出產(chǎn)和機(jī)械化流水作業(yè)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化出產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。龍門起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械中的最主要的一種，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，龍門起重機(jī)起重范圍可以從幾噸到幾十噸甚至幾百噸，在機(jī)械制造、冶金、鋼鐵、碼頭集裝箱裝運(yùn)等行業(yè)都必須有龍門起重機(jī)。而起升機(jī)構(gòu)更是起重機(jī)的咽喉設(shè)備，因此對(duì)其進(jìn)行研究，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。龍門起重機(jī)作為物料搬運(yùn)系統(tǒng)中一種典型設(shè)備，在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的龍門起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制，采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，這種控制系統(tǒng)存在可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高，電能浪費(fèi)大，效率低等缺點(diǎn)。因此對(duì)龍門起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義，也是國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué)者的一個(gè)研究課題。本論文以龍門起重機(jī)為研究對(duì)象，研究變頻器在龍門起重機(jī)中的應(yīng)用，根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合PLC技術(shù)，提出一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，并且采用此體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)龍門起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。本論文主要內(nèi)容分為如下四個(gè)部分：（1）變頻調(diào)速選擇及原理，即本論文的第二章，它首先介紹交流電機(jī)變頻調(diào)速的基本原理及基本結(jié)構(gòu)，接著闡述變頻器的工作原理。為下一步部分的起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。（2）變頻調(diào)速龍門起重機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，即本論文的第三章，起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由電源及保護(hù)系統(tǒng)、主令控制器、PLC控制系統(tǒng)，變頻器組成，并根據(jù)本文要求選擇系統(tǒng)硬件主要組成部分。（3）變頻調(diào)速軟件設(shè)計(jì)，即本論文的第四章，它首先介紹了PLC特點(diǎn)、主要性能，然后選取PLC，最后根據(jù)本課題研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展CPU，根據(jù)需要分配I/O口。（4）全文的總結(jié)，即本論文的第五章，它對(duì)全文的研究?jī)?nèi)容作了總結(jié)。1.2 門式起重機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)方案與原理1.2.1門式起重機(jī)負(fù)載特點(diǎn)為了提高生產(chǎn)率以及適應(yīng)各種工作的要求，起重機(jī)的工作速度應(yīng)該是可控制的尤其是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，當(dāng)輕載和空鉤下降時(shí)，在大起升高度升降重物時(shí)，為節(jié)省時(shí)間，需較高的工作速度，當(dāng)?shù)踹\(yùn)危險(xiǎn)物品、重載以及進(jìn)行安裝工作時(shí)，為了安全可靠和準(zhǔn)確定位，則要求較低的工作速度甚至微速。因此，起重機(jī)一般設(shè)有速度調(diào)節(jié)裝置，且要求其工作平穩(wěn)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、調(diào)速范圍大等.對(duì)于門式起重機(jī)，其核心機(jī)構(gòu)是起升機(jī)構(gòu)，在起升機(jī)構(gòu)上電氣控制調(diào)速必須解決的關(guān)鍵技術(shù)為:（1)低頻時(shí)能保證恒轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時(shí)滿負(fù)載工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象。（2)滿負(fù)載時(shí)在空中制動(dòng)停車或再提升時(shí)，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。（3)電動(dòng)機(jī)減速或重載下放時(shí)，再生制動(dòng)能量必須迅速釋放。對(duì)于門式起重機(jī)的行走機(jī)構(gòu)，為了保證停車位置的準(zhǔn)確，也必須將負(fù)載按照四象限運(yùn)行來(lái)考慮。下面列舉幾種起重機(jī)常用的調(diào)速方案并進(jìn)行比較。1.2.2 轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速傳統(tǒng)的門式起重機(jī)多采用繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速。繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串接不同電阻時(shí)的機(jī)械特性如圖1-1所示。其中，電阻R2RlR，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M相同時(shí)，轉(zhuǎn)速隨電阻增大而降低.即串接電阻后電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速no和最大轉(zhuǎn)矩Mmax不變，轉(zhuǎn)差率S增大，轉(zhuǎn)速降低.利用此方法可改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性和控制工作速度。圖1-1 轉(zhuǎn)子串電阻機(jī)械特性這種方法調(diào)速簡(jiǎn)單可靠，成本低，方便維修，缺點(diǎn)是有級(jí)調(diào)速，沖擊大，在外接電阻器上功率損耗大，低速時(shí)機(jī)械特性軟，不易獲得穩(wěn)定的輕載低速，下降工況時(shí)調(diào)速困難，故一般與制動(dòng)器配合使用。1.2.3晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速電動(dòng)機(jī)的晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速是一種較先進(jìn)的調(diào)速方式，它具有調(diào)速比大，工作可靠，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，已被國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家廣泛地用作起重機(jī)的主要調(diào)速方式之一。起重機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，是指向繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的定子提供一種電壓可變的電源，轉(zhuǎn)子外串相應(yīng)段數(shù)的電阻以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)差率Si，使電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定的工作區(qū)內(nèi)降速運(yùn)行的一種調(diào)速系統(tǒng)。在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻不變的情況下，改變電機(jī)的供電電壓，其輸出轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。其特性曲線如圖1-2所示，圖中虛線是2.1倍電動(dòng)機(jī)額定電流時(shí)的等電流曲線。圖1-2 交流電動(dòng)機(jī)供電壓變化時(shí)的轉(zhuǎn)矩-速度特性由圖1-2 可知，臨界轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率SK是由電機(jī)的阻抗參數(shù)決定的，若在轉(zhuǎn)子回路串接外部電阻，則可以增加S、值。在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中串以多級(jí)電阻(如圖1-3所示)，即可得到一簇曲線，見(jiàn)圖1-4，在電動(dòng)機(jī)定子電壓不變的情況下，其臨界轉(zhuǎn)矩MK保持不變。圖1-3 串有二級(jí)電阻的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路圖1-4 調(diào)壓調(diào)速的轉(zhuǎn)矩速度特性曲線為了獲得較好的輸出特性，起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中幾乎都采用閉環(huán)調(diào)速方式，大多采用轉(zhuǎn)速反饋。其中最常用的測(cè)速反饋元件是測(cè)速發(fā)電機(jī)，也有使用脈沖編碼器的。圖1-5調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制原理框圖總體來(lái)說(shuō)，晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速方案能平滑調(diào)節(jié)速度.且低速時(shí)特性較硬.調(diào)速范圍可達(dá)1:10，上升、下降均可調(diào)速.但系統(tǒng)較復(fù)雜.尤其是串電阻消耗功率，發(fā)熱量大，維護(hù)不方便。1.2.4直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可用下式表示:（1-1） 式中，n一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;U一電樞供電電壓;R一電樞回路總電阻;Ke一有電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢(shì)常數(shù)式中Ke為常數(shù)，Ia的大小取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種:（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓向下調(diào)，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向 下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)，屬恒功率調(diào)速方法 。（3）改變電樞回路電阻Ra改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用。自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往一調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合使用。在門式起重機(jī)的應(yīng)用中，滿載時(shí)采用調(diào)壓調(diào)速，輕載時(shí)采用弱磁調(diào)速。直流調(diào)速調(diào)整性能好，可無(wú)級(jí)調(diào)速，操作輕便，但設(shè)備較復(fù)雜，成本高、體積大、噪音大，可靠性差，維護(hù)也不方便。1.2.5交流調(diào)速系統(tǒng)由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n= 60f1(1-s)/p（1-2）(式中，n為轉(zhuǎn)速,f1為電源頻率，p為極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率)可知 ，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n近似與供電電源頻率f1成正比。而異步電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1為:（1-3）式中，f1同上式，為繞組的匝數(shù),k1為繞組系數(shù)為磁通，加果忽略電動(dòng)機(jī)定子阻抗壓降，則端電壓U1為 （1-4）在改變電源頻率f1實(shí)現(xiàn)調(diào)速的過(guò)程中，應(yīng)使電源電壓U1同時(shí)增減并使U1/f1為常數(shù)，這樣才能保證電機(jī)的磁通不會(huì)有大幅度波動(dòng)，從而保證電機(jī)出力的恒定。因此，根據(jù)Ul和f1之間的關(guān)系，可以得出以下三種工作方式:（1）U1/f1為常數(shù)此時(shí)電源電壓和頻率均在低于額定值的范圍內(nèi)變化。但隨著電源電壓下降，定子阻抗壓降作用逐漸明顯，將破壞E1/f1為常數(shù)的關(guān)系，使磁通中減少，因而這種工作方式的調(diào)速范圍較小。（2）保持電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Mm恒定若讓電源電壓U1和頻率f1按一定函數(shù)關(guān)系變化，自動(dòng)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)定子阻抗壓降的影響，保持E1/f1為常數(shù)，就可以使電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)。這種工作方式用在額定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)調(diào)速，適合于驅(qū)動(dòng)需要較大調(diào)速范圍的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。（3）恒功率和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速由于不允許電壓U、超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電壓，在實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持電源電壓不變并為額定值，僅使頻率增加。此時(shí)電動(dòng)機(jī)磁通中減少，輸出轉(zhuǎn)矩也隨之下降，但輸出功率近似恒定.這種工作方式用在額定轉(zhuǎn)速以上范圍調(diào)速，適合驅(qū)動(dòng)恒功率負(fù)載。在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速仍保持E1/ f1為常數(shù)，適合驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此采用恒功率和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的工作方式完全滿足起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的需要。變頻調(diào)速是起重機(jī)調(diào)速最理想的方案，調(diào)速比可達(dá)1:10以上，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，各擋速度機(jī)械特性很硬，重載低速起動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定可靠，加減速時(shí)間的設(shè)定使各擋起制動(dòng)速度相當(dāng)平穩(wěn)。適合起重機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速大扭矩及負(fù)載變化大的工況。具有較高的控制精度，設(shè)計(jì)有故障顯示、分析及參數(shù)監(jiān)控功能，便于使用和維護(hù)，并且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制。所以說(shuō)，變頻調(diào)速在起重機(jī)上的應(yīng)用具有廣闊的前景。2 變頻調(diào)速系統(tǒng)分析2.1 變頻調(diào)速目前國(guó)內(nèi)外調(diào)速的方案很多，主要是利用改變電機(jī)的級(jí)數(shù)、電壓、電流、頻率等方法改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)上述方法使電機(jī)達(dá)到較高的使用性能。變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國(guó)內(nèi)大都使用交直交變頻器。效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；調(diào)速范圍大且可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速性能好，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)本課題需要選用變頻器調(diào)速。2.2 變頻調(diào)速的基本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為: （2-1）其中 n一異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,單位為r/min；f一 定子的電源頻率,單位為Hz；S一 電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率 ；P一 電機(jī)的極對(duì)數(shù) 。由上式 （2-1）可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率f，則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量中.為額定值不變磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的磁心,是一種浪費(fèi)；若要增大磁通,又會(huì)使磁通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持中，不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是: （2-2）式中 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值,單位為V；定子頻率,單位為 Hz；定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；基 波 繞 組 系數(shù)；極氣隙磁通量,單位為Wb；由公式（2-2）可知 ,只要控制好和，便可以控制磁通不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；a.基頻以下調(diào)速00圖 2-1 恒壓頻比控制特性即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)，有上式可知，要保持不變，單頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低，然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓，則得/ =常值.低頻時(shí)，和讀較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時(shí)，可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾閎線，無(wú)補(bǔ)償?shù)臑閍線。如圖2-1所示: (定子相電壓)b.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率往上增高，但電壓u磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)與直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖2-2。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。(頻率)0恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速U1(定子相電壓)圖2-2 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性2.3 變頻器的基本構(gòu)成變頻器分為交交和交直交兩種形式。交交變頻器只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，把恒壓恒頻(CVCF)的交流電源直接變換成VVVF輸出，因此又稱直接式變壓變頻器。常用的交交變頻器輸出的每一相都是一個(gè)正、反兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，也就是說(shuō)，每一相都相等于一套直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的反并聯(lián)可逆整流器。交直交變頻器先將工頻交流電源通過(guò)整流器變換成直流，再通過(guò)逆變器變換可控頻率和電壓的交流。由于此類變頻器在恒頻交流電源和變頻交流輸出之間有一個(gè)“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式變壓變頻器。交直交變頻器由整流器、中間電路、逆變器、控制電路四個(gè)主要部分組成。a.整流器整流器與三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電壓。整流器有兩種基本類型：可控型和不可控型。b.中間電路中間電路有以下三種類型：（1）將整流電壓變換成直流。（2）使脈動(dòng)的直流電壓變得穩(wěn)定或平滑。（3）將整流后的固定直流電壓變換成可變直流電壓。c.逆變器逆變器產(chǎn)生可變電壓,可變頻率的變頻交流電供給交流電動(dòng)機(jī)。（1）SPWM逆變器工作原理：在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：“沖量（窄脈沖的面積）相等而波形不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同?！泵麨镾PWM逆變器，就是期望其輸出電壓是純粹的正弦波形。把一個(gè)正弦半波分作N等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來(lái)代替。矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。這樣，由N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。同樣，正弦波負(fù)半周也可用相同方法來(lái)等效。（2）SPWM逆變器的調(diào)制方式： 在SPWM逆變器中，三角波電壓頻率與參考波電壓頻率(即逆變器的輸出頻率)之比稱為載波比，也稱調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，SPWM調(diào)制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。實(shí)際應(yīng)用中，多采用分段同步調(diào)制方式。它集同步和異步調(diào)制方式之所長(zhǎng)而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)；在低頻運(yùn)行時(shí)，使載波比有極地增大，以采納異步調(diào)制的長(zhǎng)處，這就是分段同步調(diào)制方式。d.控制電路控制電路將控制信號(hào)傳遞給整流器、中間電路和逆變器，同時(shí)也接受其反饋信號(hào)。2.4 變頻器的保護(hù)2.4.1 過(guò)電流保護(hù)功能由于變頻器件的過(guò)載能力較差，變頻器的過(guò)電流保護(hù)至關(guān)重要。變頻器中，過(guò)電流保護(hù)的對(duì)象主要指帶要突變性質(zhì)的。電流的峰值超過(guò)了變頻器的容許值的情形。a.過(guò)電流的原因（1） 工作中過(guò)電流 即拖動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電流，其原因大致來(lái)自以下幾個(gè)方面：1）電動(dòng)機(jī)遇到?jīng)_擊負(fù)載或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡住”現(xiàn)象，引起電動(dòng)機(jī)電流的突然增加。2）變頻器的輸出側(cè)短路，如輸出端到電動(dòng)機(jī)之間的聯(lián)機(jī)發(fā)生相互短路，或電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路等。3）變頻器自身工作的不正常，如逆變橋中同一橋臂的兩個(gè)逆變器件在不斷交替導(dǎo)通的工作過(guò)程中出現(xiàn)異常。（2）升速中的過(guò)電流 當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而升速時(shí)間又設(shè)定的太短時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)電流。這是因?yàn)?，升速時(shí)間太短，意味著在升速過(guò)程中，變頻器的工作頻率上升太快，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0迅速上升，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速Nm則因負(fù)載慣性較大而跟不上去，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度太快，結(jié)果升速電流太大。（3）降速中的過(guò)電流 當(dāng)負(fù)載的慣性較大，而降速時(shí)間設(shè)定的太短時(shí)，也會(huì)引起過(guò)電流。b.變頻器對(duì)過(guò)電流的處理在實(shí)際的拖動(dòng)系統(tǒng)中，大部分負(fù)載都是經(jīng)常變動(dòng)的。因此，不論是在工作過(guò)程中，還是在升. 降速過(guò)程中，短時(shí)間的過(guò)電流總是難免的。所以，對(duì)變頻器過(guò)電流的處理原則是，盡量不跳閘，為此而配置了防止跳閘的自處理功能；只有當(dāng)沖擊電流的峰值太大，或防止跳閘措施不能解決問(wèn)題時(shí)，才迅速跳閘。2.4.2 過(guò)電壓保護(hù)功能a.產(chǎn)生過(guò)電壓的原因（1）電源過(guò)電壓（2）降速時(shí)因反饋量來(lái)不及釋放而形成的再生過(guò)電壓。（3）在SPWM調(diào)制方式中，電路是以系列脈沖的方式進(jìn)行工作的。由于電路中存在著繞組電感和線路分布電感，所以在每一個(gè)脈沖的上升和下降過(guò)程中，可能產(chǎn)生峰值很大的脈沖電壓。b.過(guò)電壓的保護(hù)措施（1）電源過(guò)電壓 對(duì)于電源電壓的上限，一般規(guī)定不能超過(guò)額定電壓的10%，當(dāng)電源線電壓為380時(shí)，起上限值為420。由于電源電壓過(guò)高，將直接反映在整流后的直流電壓上；同時(shí)，再生過(guò)電壓也直接反映在直流電壓上，所以，進(jìn)行電壓保護(hù)的“取樣電壓”總是從主電路的直流電路中取出。（2）再生制動(dòng)時(shí)的防止跳閘功能 和升速過(guò)程中過(guò)電流時(shí)的防止跳閘功能一樣，在降速過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電壓，也可以采取暫緩降速的方法來(lái)防止它跳閘。（3）脈沖過(guò)電壓的保護(hù) 對(duì)于由線路電感引起的脈沖過(guò)電壓，采用常規(guī)的“檢測(cè)-判斷-保護(hù)”的方式是來(lái)不及保護(hù)的，通常采用吸收的方法來(lái)解決。常見(jiàn)的吸收裝置有壓敏電阻吸收和阻容吸收電路等。2.4.3 欠電壓保護(hù)a.產(chǎn)生欠電壓的原因（1）電源方面: 1）電源電壓過(guò)低 2）電源缺相（2）電路方面1）整流器件損壞，如果六個(gè)整流二極管中有部分因損壞而斷路，則整流后的電壓將下降。2）限流電阻未“切出”電路 限流電阻是在電源剛合閘時(shí)，用以限制濾波電容CF的充電電流的。當(dāng)CF上的電壓上升到一定程度時(shí)。晶閘管VT導(dǎo)通，將RL“切出”電路。如果由于某種原因，使VT不能及時(shí)導(dǎo)通，使RL長(zhǎng)時(shí)間接入電路，負(fù)載電流將得不到及時(shí)的補(bǔ)充，導(dǎo)致直流電壓的下降。b.關(guān)于欠電壓的保護(hù)對(duì)于電源方面引起的欠電壓，變頻器設(shè)定的動(dòng)作電壓一般都較低， 不很嚴(yán)格。這是因?yàn)椋海?）欠電壓的后果之一，是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降，而新系列的變頻器都有各種補(bǔ)償功能，使電動(dòng)機(jī)能夠繼續(xù)運(yùn)行。（2）欠電壓的另一個(gè)后果是電動(dòng)機(jī)的電流增大，而變頻器又具有完善的過(guò)載保護(hù)功能。3 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)傳統(tǒng)龍門起重機(jī)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動(dòng)和調(diào)速，采用繼電接觸器控制，該系統(tǒng)主要缺點(diǎn)有：（1）龍門起重機(jī)工作環(huán)境惡劣，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)以及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生。（2）繼電接觸器控制系統(tǒng)可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高。（3）轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速效果不理想。（4）所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域也日新月異。其中，具有代表性的是交流變頻裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在龍門起重機(jī)中拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了有利條件。3.1 龍門起重機(jī)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及各部分功能龍門起重機(jī)大車、小車、主鉤、副鉤電動(dòng)機(jī)都需要獨(dú)立運(yùn)行，大車為兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，所以整個(gè)系統(tǒng)由5臺(tái)電動(dòng)機(jī)、4臺(tái)變頻器傳動(dòng)，并由4臺(tái)PLC分別加以控制。各部件的功能及實(shí)現(xiàn)方法如下：a.主令控制器大車、小車、主鉤、副鉤各設(shè)一臺(tái)主令控制器分別操作。主令控制器的功能仍是將調(diào)速及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向命令輸送給系統(tǒng)。b.變頻器變頻器為電動(dòng)機(jī)提供頻率可調(diào)節(jié)的交流電源，是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。大車、小車是普通反抗性負(fù)載，可以配用普通型或高功能型變頻器，而主鉤及副鉤是位能性負(fù)載，應(yīng)配用可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的矢量控制性變頻器。從變頻器工作頻率的控制來(lái)看，可以采用變頻器模擬量電壓控制端加接電位器方式，這樣電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的。但這樣的方案與傳統(tǒng)的操作方式相差較遠(yuǎn)?？紤]到轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)對(duì)起重機(jī)來(lái)說(shuō)并不必要，則可采用變頻器機(jī)外開(kāi)關(guān)多端速度選擇方式實(shí)現(xiàn)速度控制，這和選取主令控制器作為操作器件是配套的。采用變頻器后，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制也變得簡(jiǎn)單了，不再需要使用接觸器交換電源的相序，只要操作變頻器的相序控制端口就可以了。起重機(jī)變頻器，特別是主鉤及副鉤變頻器，需配用制動(dòng)電阻。起重機(jī)放下重物時(shí)，由于重力作用起重機(jī)將處于再生制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達(dá)到危險(xiǎn)的地步。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動(dòng)電阻就是用來(lái)消耗這部分能量的。c.電源及安保系統(tǒng)起重機(jī)的保護(hù)中有一個(gè)重要手段是電源控制，當(dāng)出現(xiàn)任何意外時(shí)，首先是斷開(kāi)起重機(jī)的電源接觸器，這時(shí)起重機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)的電磁抱閘發(fā)揮制動(dòng)作用，保障設(shè)備及人身安全。這套機(jī)制在采用變頻器之后仍將保留。d.電動(dòng)機(jī)采用變頻器的交流起重機(jī)各電動(dòng)機(jī)，可以使用專用的變頻調(diào)速起重電機(jī)，也可用起重機(jī)原有的線繞轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組短接就可以了。e.可編程控制器可編程控制器完成系統(tǒng)邏輯控制部分，含接受主令控制器送來(lái)的操作信號(hào)、對(duì)變頻器的控制及系統(tǒng)安全的保護(hù)，是系統(tǒng)的核心。3.2 系統(tǒng)的硬件部件選擇3.2.1 電機(jī)的選用a.變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)的要求采用變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)大產(chǎn)生了一些與在工頻電源下傳動(dòng)時(shí)不同的特征。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機(jī)溫升、噪音及振動(dòng)等方面。隨著高開(kāi)關(guān)頻率的IGBT等電力電子器件的使用、PWM調(diào)制、矢量控制、增強(qiáng)型V/f控制方法的應(yīng)用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數(shù)及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機(jī)的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電機(jī)可以避開(kāi)共振點(diǎn)，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問(wèn)題。日前，變頻器己經(jīng)發(fā)展到除非有超同步調(diào)速的要求或呈1:20以上的大速比、低調(diào)速要求或特低噪聲要求外，一般無(wú)須選用變頻專用電機(jī)作變頻系統(tǒng)的電機(jī)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)推出的變頻專用電機(jī)由普通電機(jī)加獨(dú)立風(fēng)扇組成，以解決電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電機(jī)過(guò)熱問(wèn)題.b.變頻起重機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)的選型當(dāng)機(jī)構(gòu)速比大于1:4時(shí)，可根據(jù)起重機(jī)的工作級(jí)別及接電持續(xù)率的要求選用YZF泌型(帶他冷風(fēng)扇)電機(jī)，這樣可保證系統(tǒng)的工作效率，提高電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。過(guò)大的電機(jī)容量往往會(huì)使逆變器輸出電流脈動(dòng)增大，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作妨礙電機(jī)的正常工作，降低電機(jī)功率因數(shù)。盡管Y型電機(jī)在額定工作狀態(tài)的效率大于YZ型電機(jī)，但在加速過(guò)程中YZ型電機(jī)效率卻大于Y型電機(jī)。而起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)加速過(guò)程在總工作周期內(nèi)是不容忽視的，故起重機(jī)以YZ型電機(jī)與變頻器配套使用更為有利。采用了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)后，對(duì)整機(jī)機(jī)構(gòu)的沖擊、對(duì)制動(dòng)器的磨損都降低到了最小限度。傳統(tǒng)起重機(jī)控制系統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)能耗部分將取消，各機(jī)構(gòu)調(diào)速電阻將取消。上述各機(jī)構(gòu)原有的各電動(dòng)機(jī)上的電磁抱閘繼電器任然保留。3.2.2 變頻器的選擇a.變頻器的選擇起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，普遍選用帶底速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器，如日本的安川，三菱，富士，德國(guó)的西門子及丹佛斯等。其中本系統(tǒng)選用西門子變頻器，西門子變頻器具有合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書及各器件的推薦值，有利于用戶合理選用及調(diào)試。目前，市場(chǎng)上流行的變頻器大多分為兩類：一類是適于一般負(fù)載的一般通用變頻器；另一類是適合于高精度控制的高性能通用變頻器。高性能通用變頻器與一般通用變頻器相比，在以下幾方面具有良好的性能：（1）寬的調(diào)速范圍： 1：100以上，（2）良好的低頻起動(dòng)特性，（3）額定電壓下的全范圍恒轉(zhuǎn)矩輸出，（4）變頻器系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，（5）完整和快速的故障診斷、保護(hù)和報(bào)警功能，（6）具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，（7）變頻器和其驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)噪聲低。據(jù)本課題研究對(duì)象工作環(huán)境及合理價(jià)格，考慮選用西門子MM440系列的通用變頻器。b.MM440變頻器的電路結(jié)構(gòu)MM440變頻器的電路分兩大部分：一部分是完成電能轉(zhuǎn)換（整流、逆變）的主電路；另一部分是處理信息的收集、變換和傳輸?shù)目刂齐娐?。?）主電路主電路是由電源輸入單相或三相恒壓頻的正弦交流電壓，經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成恒定的直流電壓、供給逆變電路。逆變電路在CPU的控制下，將恒定的直流電壓逆變成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電供給電動(dòng)機(jī)負(fù)載。（2）控制電路控制電路由CPU、模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、輸出繼電器觸頭、操作板等組成如圖3-1所示。1）主電路接線端子 L1、L2、L3為三相交流電源接入端子。U、V、W為輸出可調(diào)頻電源的端子。2）模擬量輸入控制端子 3、4及10、11號(hào)端子為兩對(duì)模擬量輸入控制端子。通過(guò)I/O板上的DIP開(kāi)關(guān)，可以選擇輸入的模擬量類型，或是420mA，或是010V電壓。端子板上1號(hào)及2號(hào)端子是為模擬量輸入端子供電的機(jī)內(nèi)10V直流電源接線端。3）開(kāi)關(guān)量輸入控制端子 DN1DN6為數(shù)字量輸入控制端子。此6個(gè)端子可用于變頻輸出的啟動(dòng)停止、輸出電壓的相序控制及選擇已設(shè)定的電源頻率。端子板上9及28號(hào)端子為開(kāi)關(guān)量輸入端子提供直流24V操作電源。4）電動(dòng)機(jī)保護(hù)熱電阻輸入端子 14、15號(hào)端子為預(yù)埋在電動(dòng)機(jī)中的熱敏電阻傳感器接入端子。電動(dòng)機(jī)過(guò)熱時(shí)可關(guān)斷變頻器。5）通信接口 29、30號(hào)端子為RS485通信接口，可使用通信方式控制變頻器的啟停及頻率變化。6）模擬量輸出端子 12、13及26、27號(hào)端子為兩組模擬量輸出端子，經(jīng)過(guò)一定的設(shè)定后，該兩組端子可輸出反映變頻器的工作參數(shù)的模擬量，如變頻器的輸出頻率等。用于變頻器工作狀態(tài)的顯示及對(duì)其他器件的控制。7）開(kāi)關(guān)量輸出端子 18、19、20及23、24、25，21、22號(hào)端子為兩組三端開(kāi)關(guān)量輸出端子及一組二端開(kāi)關(guān)量輸出端子。其中三端開(kāi)關(guān)量端子含常開(kāi)及常閉觸點(diǎn)各一對(duì)，二端開(kāi)關(guān)量端子含常開(kāi)觸點(diǎn)一對(duì)。開(kāi)關(guān)量端子經(jīng)一定設(shè)定后可以反映變頻器的某些工作狀態(tài)，用于顯示報(bào)警及輸出對(duì)其他設(shè)備的控制信號(hào)。圖3-1 MM440接線端子示意圖3.2.3 常用輔助器件的選擇變頻器系統(tǒng)器件由斷路器、接觸器、電抗器、變頻器、制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元組成。a.斷路器為避開(kāi)變頻器使用時(shí)直流電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容量應(yīng)為電機(jī)額定電流的1.3-1.4倍，整定值為斷路器額定值的3-4倍。b.接觸器接觸器在在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時(shí)起斷開(kāi)主回路的作用，一般不作回路開(kāi)斷器件用，故可按電機(jī)額定電流選用接觸器容量，無(wú)須按開(kāi)斷次數(shù)考核其壽命。c.交流電抗器當(dāng)變頻器直接連接于一個(gè)大容量的電源變壓器（600KVA以上或電源變壓器很近安裝）時(shí)，或電網(wǎng)回路中接有移相電容器，可能會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生過(guò)峰值電容，致使變頻器損壞。為此，在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器的接入還可起到降低電機(jī)噪聲、改善起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、在電機(jī)輕載時(shí)改善電機(jī)功率因素的作用。d.制動(dòng)單元因?yàn)樵谧冾l調(diào)速中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)是通過(guò)減小變頻器的輸出頻率，從而降低電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之降低，由于機(jī)械慣性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有突變，使同步轉(zhuǎn)速低于實(shí)際轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)所有的機(jī)械能量被回饋給電動(dòng)機(jī)，并在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。為了減小大慣性系統(tǒng)的減速時(shí)間，解決變頻器直流電路上的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。常在其直流電路中加接以檢測(cè)直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過(guò)一定的界限。該晶閘管導(dǎo)通，并將過(guò)剩的電能通過(guò)與之相接的制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。在能量消耗的同時(shí)加速了轉(zhuǎn)速的減小，該能量消耗得越多，制動(dòng)時(shí)間越小，此裝置即為變頻器的制動(dòng)單元。e.制動(dòng)電阻器借助制動(dòng)單元，消耗電機(jī)發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下從動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的能量。有時(shí)變頻器生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品目錄中給出了制動(dòng)電阻最小值，可供用戶在選擇制動(dòng)電阻時(shí)參考。f.電纜的選擇由于高次諧波額驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，電纜的選擇實(shí)際使用面積減小，單位實(shí)際工作電阻增大，電纜壓降有增大的趨勢(shì)，故所配電纜一般大于常規(guī)使用值。如轉(zhuǎn)換器與電機(jī)間的主回路配線不當(dāng)，將會(huì)是電壓下降較多，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩，增大電機(jī)電源，引起電機(jī)過(guò)熱。近年來(lái)變頻器廠家將變頻器的額定電壓設(shè)計(jì)成稍低于電源電壓，如380V電源用變頻器標(biāo)稱電壓為360V等，有利于輸出電線容量的降低?？偵纤?，變頻器自身特性及合理選擇是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成功的首要因素，但輔助配置器件的恰當(dāng)與否同樣不可以忽視。3.3 PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1 龍門起重機(jī)PLC及變頻器系統(tǒng)控制系統(tǒng)由繼電器控制改為PLC控制，三大機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。龍門起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由電源及安全保護(hù)系統(tǒng)、主令控制器、PLC控制系統(tǒng)、變頻變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。本設(shè)計(jì)中將繼電器電路控制轉(zhuǎn)換為可編程控制器時(shí)控制時(shí)，原電路的接觸器類執(zhí)行元件要保留，原輸入傳感器件要保留，原繼電器控制電路中的接線所表達(dá)的輸入輸出之間的邏輯關(guān)系由PLC用戶程序所代替，原有龍門起重機(jī)停電后電磁抱閘等功能保留，改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2：電源及安全保護(hù)系統(tǒng)主令控制器主令控制器主令控制器PLC變頻器變頻器變頻器MMM主鉤副鉤小車圖3-2 龍門起重機(jī)PLC及變頻器系統(tǒng)框圖變頻器M大車M主令控制器下面分別對(duì)各機(jī)構(gòu)控制進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。a.起升機(jī)構(gòu)起升機(jī)構(gòu)屬位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。不但要求高的轉(zhuǎn)速及起制動(dòng)的控制精度。而且對(duì)轉(zhuǎn)矩控制要求嚴(yán)格。起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)使用一個(gè)變頻器。變頻器的選擇，應(yīng)以選擇變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動(dòng)機(jī)的額定電流，負(fù)載率。變頻器運(yùn)行的效率為依據(jù)。通過(guò)計(jì)算。變頻器的額定電流一般為電動(dòng)機(jī)額定電流的1.2倍以上。b.運(yùn)行機(jī)構(gòu)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電機(jī)用一個(gè)變頻器；考慮到運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作頻率較少，變頻器的選擇，一般以電動(dòng)機(jī)的額定功率作為選擇的依據(jù)。通常選額定功率大一級(jí)的變頻器。運(yùn)機(jī)構(gòu)的起動(dòng)時(shí)間應(yīng)盡量符合實(shí)際需要，起動(dòng)迅速而平穩(wěn)；機(jī)構(gòu)的電氣制動(dòng)方式必須著重考慮。對(duì)不同的工況，可選擇自由制動(dòng)方式與強(qiáng)制制動(dòng)方式。在運(yùn)行機(jī)構(gòu)正常停止時(shí)，可選用自由停止方式，其停止時(shí)間可按實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)行情況設(shè)定，以盡量滿足司機(jī)操作龍門起重機(jī)的需要為主。為保證起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí)具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)設(shè)定機(jī)械制動(dòng)器的打開(kāi)時(shí)間、變頻器的最低運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流之間的關(guān)系，以滿足機(jī)構(gòu)負(fù)載特性的要求。3.3.2 主電路圖 圖3-3 主電路圖3.3.3 大車控制原理圖龍門起重機(jī)大車、小車、副鉤、主鉤電動(dòng)機(jī)工作由的PLC控制，大車、小車、副鉤主鉤電動(dòng)機(jī)都運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，控制過(guò)程基本相似，變頻器與PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實(shí)現(xiàn)基本相同，而主鉤電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)處于電動(dòng)、倒拉反接或再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器與PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實(shí)現(xiàn)稍有區(qū)別?？刂拼筌囯妱?dòng)機(jī)的變頻器與PLC控制原理圖如圖34所示。圖 3-4 PLC控制大車原理圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)邏輯開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域?？删幊炭刂破髯鳛橥ㄓ玫墓I(yè)控制計(jì)算機(jī)，是存儲(chǔ)邏輯在工業(yè)應(yīng)用中的代表性成果。近30年以來(lái)，PLC不斷發(fā)展更新，其功能日益強(qiáng)大，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備?，F(xiàn)在PLC不僅能進(jìn)行邏輯控制，在模擬量死循環(huán)控制、數(shù)字元量的智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通訊聯(lián)網(wǎng)及集散控制系統(tǒng)等各方面都得到了廣泛應(yīng)用。4.1 可編程控制器的介紹可編程序控制器及其網(wǎng)絡(luò)己成為當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的支柱單元之一?，F(xiàn)在PLC已發(fā)展到第四代，具有邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理等功能，同時(shí)還具有完善的自診斷功能，并正在不斷提高和完善網(wǎng)絡(luò)通信能力，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用范圍極廣?？紤]到起重機(jī)自身的特點(diǎn)及其施工工況，其控制系統(tǒng)性能是關(guān)系到運(yùn)行狀況好壞進(jìn)而影響工程進(jìn)度的重要因素，因此PLC及其網(wǎng)絡(luò)在大型設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及在線診斷中有極好的應(yīng)用前景。4.1.1 PLC的基本概念可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。4.1.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，如圖所示： a.中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè)CPU出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。 b.存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。 c.電源 PLC的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此PLC的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。4.1.3 PLC的工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 a.輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 b.用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。c.輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是PLC的真正輸出。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)邏輯開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域。可編程控制器作為通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是存儲(chǔ)邏輯在工業(yè)應(yīng)用中的代表性成果。近30年以來(lái)，PLC不斷發(fā)展更新，其功能日益強(qiáng)大，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備?，F(xiàn)在PLC不僅能進(jìn)行邏輯控制，在模擬量死循環(huán)控制、數(shù)字元量的智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通訊聯(lián)網(wǎng)及集散控制系統(tǒng)等各方面都得到了廣泛應(yīng)用。4.1.4 PLC的特點(diǎn)在PLC系統(tǒng)中，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成的，加上充 分考慮了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境電磁、粉塵、溫度等各種干擾，在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，PLC有極高的可靠性。a.適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活PLC系統(tǒng)相對(duì)繼電器控制系統(tǒng)，接線少，其主要功能是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的，在需要改變?cè)O(shè)備的控制功能時(shí)，只需要修改程序，需改接線的工作量是很少的。b.編程方便，易于使用PLC的編程可采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語(yǔ)言，直觀易懂，深受現(xiàn)場(chǎng)電氣技術(shù)人員的歡迎。c.功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng)PLC中含有數(shù)量巨大的可用于開(kāi)關(guān)量處理的繼電器類軟組件，可輕松地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開(kāi)關(guān)量邏輯控制，這是一般的繼電器系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的。PLC或其功能單元方便地實(shí)現(xiàn)DA、AD轉(zhuǎn)換及 PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)程控、數(shù)字元控制等功能。PLC具有通信網(wǎng)路功能，它不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)，一條生產(chǎn)線，還可以控制一個(gè)機(jī)群，許多生產(chǎn)線。它不但可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。d.PLC體積小，重量輕，易于實(shí)現(xiàn)